双扭簧腿弹性支撑结构三维建模

　　做机械结构设计这么多年，扭簧类零件的建模其实最考验对工艺边界的把控，尤其是双扭簧腿这种同时承担扭转复位、侧向支撑的复合功能构件，很多新手建模时只照着样件描外形，忽略了实际工况下的安装约束和受力形变，最后做出来的模型导入装配体要么干涉，要么仿真出来的弹力曲线和实际测试差出一大截。先从应用场景说，这类双扭簧腿最常见的是用在翻盖类设备的铰接部位，比如小型家电的开合盖支撑、工业机柜的门体复位结构、还有一些便携设备的折叠支腿里，和单扭簧比，它的两个簧圈通过中间的连接腿同步受力，不会出现单扭簧长期使用后侧向偏摆、簧圈蹭到安装座内壁的问题，受力均匀性要好很多。实际选型的时候，首先要卡的是安装边界，两个簧圈的中心距必须和安装座上的定位销轴间隙配合，

　　单边留0.1到0.15mm的间隙就够，留大了工作时簧圈会在销轴上窜动，产生异响还会磨损销轴表面，留小了电镀或者喷塑后的表层厚度会把间隙吃掉，装配时压不进去。建模的时候簧圈的旋向要注意，两个簧圈是反向旋向的，这样工作时两端的扭臂受力方向才能同步，要是旋向做反了，装配时扭臂根本卡不到预设的限位槽里，强行装上去弹簧的预应力方向是反的，不仅起不到复位作用，还会在第一次开合时就把扭臂掰变形。再说到外形尺寸的控制，扭臂的弯折半径不能小于簧丝直径的1.5倍，这个是冷卷弹簧工艺的硬要求，弯折半径太小的话，弯折处的应力集中系数会陡增，循环加载几次就会从弯折点断裂，很多人建模时为了凑安装尺寸把弯折角做的太锐，实际打样的时候工厂根本做不出来，

　　就算做出来寿命也达不到要求。中间连接的U型扭腿部分，平直段的长度要比安装槽的宽度小0.2mm左右，两端的弯折处要做和簧丝半径一致的圆角过渡，不能直接做直角，不然工作时这个位置会和安装座的支撑面硬接触，把支撑面的涂层磨掉，还会产生额外的摩擦阻力，让翻盖的开合手感变涩。设计思路上，这类双扭簧腿的初始预扭角度要根据实际开合行程来定，一般预扭角度设为总工作扭转角的15%到20%，这样盖体在闭合状态下弹簧就能提供足够的预紧力，不会因为设备晃动出现盖体松脱异响，而在盖体完全打开时，弹簧的扭转角度不能超过材料的许用扭转角，常用的65Mn弹簧钢的许用扭转角一般是按每圈簧丝允许的扭转形变来算，建模时可以通过调整有效圈数来匹配弹力需求，不用一味加粗簧丝直径，不然会让开合需要的操作力太大，影响使用手感。还要注意扭臂末端的挂钩结构，图里的扭臂末端做了小的弯折勾，这个结构是用来卡入安装件的定位孔里的，建模时这个弯钩的开口尺寸要比定位销的直径大0.1mm，弯钩的圆弧段要和定位销完全贴合，不然受力时弯钩处会出现应力集中，长期使用容易脱钩或者断裂。另外簧圈的节距也不能忽略，冷卷的双扭簧在自由状态下簧圈之间要留0.05倍簧丝直径的间隙，不能完全并紧，不然扭转时相邻簧圈会互相摩擦，不仅会产生磨损掉屑，还会让弹力输出出现非线性的波动，影响复位动作的平顺性。实际装配的时候，两个簧圈是分别套在两根平行的定位销轴上的，中间的U型扭腿抵在活动构件的支撑面上，两端的弯钩分别卡入固定座和活动件的定位槽里，当活动件绕铰接点转动时，两个簧圈同步产生扭转形变，储存弹性势能，当外力撤销时，弹性势能释放带动活动件复位，因为是双簧圈同步受力，它的抗偏载能力比单扭簧强很多，就算活动件在开合过程中有轻微的侧向力，也不会出现弹簧卡滞的情况。建模的时候还要考虑工艺性，簧丝的直径公差要按弹簧的精度等级来留，一般民用五金类的选二级精度就够，簧圈的外径公差控制在±0.1mm，扭臂的长度公差控制在±0.2mm，这样生产出来的零件不用二次修配就能直接装配。很多人做弹簧模型喜欢直接用螺旋线扫描完事，忽略了扭臂和簧圈过渡段的曲率变化，实际这个过渡段不是螺旋线的直接延伸，是有一个平缓的曲率过渡的，要是直接硬接，

　　导入有限元分析的时候，过渡段的网格会出现畸变，算出来的应力值完全不准，正确的做法是在螺旋线末端和扭臂的直线段之间做一段样条曲线过渡，让整个簧丝的中心线曲率连续，这样不管是做运动仿真还是有限元应力分析，结果都能和实际测试值匹配上。还有一点容易被忽略，就是弹簧的表面处理对应的尺寸增量，比如做镀锌处理的话，表层厚度大概是0.008到0.015mm，建模时如果是按成品尺寸建模，要提前把这个镀层厚度考虑进去，不然工厂按图加工后，镀完锌的簧圈外径会超差，装不进预设的安装腔里。这类双扭簧腿的使用场景里，还要考虑工作温度的影响，如果是用在户外设备上，要选耐候性更好的弹簧钢，或者做表面喷塑处理，建模时不用特意做涂层的厚度，只要在工程图里标注清楚表面处理要求就行，但结构设计时要留出涂层的装配间隙，避免后期装配出现问题。总的来说，这类弹性零件的建模不是画个外形就完事，每一个尺寸、每一段曲率、每一个圆角，都要对应实际的工艺要求、装配约束和受力工况，不然模型做的再好看，落到实际生产里全是问题。